遺傳物質(zhì)即親代與子代之間傳遞遺傳信息的物質(zhì),。除一部分病毒的遺傳物質(zhì)是RNA外，其余的病毒以及全部具典型細(xì)胞結(jié)構(gòu)的生物的遺傳物質(zhì)都是DNA,。

第一節(jié)   遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)

一,、染色體是遺傳物質(zhì)的主要載體

1．染色體的化學(xué)成分

染色體的主要成分為DNA和組蛋白，兩者含量比率相近,，此外,，還有少量非組蛋白和RNA,。組蛋白為含賴氨酸和精氨酸比較多的堿性蛋白質(zhì)，帶正電荷,。其功能是參與維持染色體結(jié)構(gòu),，有阻礙NDA轉(zhuǎn)錄RNA的能力。非組蛋白為含天門冬氨酸,、谷氨酸等酸性蛋白質(zhì),，帶負(fù)電荷。非組蛋白的特點(diǎn)是：既有多樣性又有專一性,，含有組蛋白所沒有的色氨酸,。非組蛋白的功能是DNA復(fù)制、RNA轉(zhuǎn)錄活動(dòng)的調(diào)控因子,。

2．染色體的結(jié)構(gòu)

核體→螺線管→超螺線管→染色單體,。從舒展的DNA雙螺旋經(jīng)四級(jí)折疊，壓縮到最短的中期時(shí),，DNA分子縮短約5000～10000倍,。

二、DNA是主要的遺傳物質(zhì)

l．噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)證實(shí)DNA是遺傳物質(zhì)

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

2．肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)證實(shí)DNA是遺傳物質(zhì)

3．煙草花葉病毒（CMV）的重建說明CMV是不具DNA的病毒,，RNA是遺傳物質(zhì)

三,、DNA的結(jié)構(gòu)和功能

1．DNA的結(jié)構(gòu)

DNA是四種脫氧核苷酸的多聚體，見下圖：

DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)

DNA的主干由磷酸和脫氧核糖交互組成,，磷酸和糖由3’,、5’一磷酸二酯鍵聯(lián)結(jié)在一起。堿基接在每一脫氧核糖的1’碳上

其結(jié)構(gòu)要點(diǎn)如下：

（1）兩條DNA鏈反向平行,，一條走向是5’→3’,，另一條走向是3’→5’，兩條互補(bǔ)鏈相互纏繞,，形成雙螺旋狀,。

（2）堿基配對(duì)不是隨機(jī)的。腺嘌呤（A）通過兩個(gè)氫鍵與胸腺嘧啶（T）配對(duì),，鳥嘌呤（G）通過三個(gè)氫鍵與胞嘧啶（C）配對(duì)（見右圖）,。GC對(duì)豐富的DNA比AT對(duì)豐富的DNA更為穩(wěn)定。

（3）DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)中,，堿基順序沒有限制性,，但是堿基對(duì)的順序卻為一種DNA分子提供了它性質(zhì)上的特異性。

（4）雙鏈DNA具有不同的構(gòu)型,，其中3種具有生物學(xué)上重要性,。

①B—DNA：右旋，正常生理狀態(tài)下的常見形式。②A－DNA：右旋,，脫水狀態(tài)下的常見形式,。③Z—DNA：左旋,，這種結(jié)構(gòu)可能與真核生物中基因活性有關(guān),。

2．DNA的功能

（1）DNA的復(fù)制 

1．DNA半保留復(fù)制的證實(shí)

DNA半保留復(fù)制在1953年由沃森和克里克提出，1958年又由梅塞爾森和斯塔爾設(shè)計(jì)的新實(shí)驗(yàn)方法予以證實(shí),。

梅塞爾森和斯塔爾將大腸桿菌置于含有同位素重氮（¹⁵ N）的培養(yǎng)基中生長(zhǎng),。¹⁵N比¹⁴N多一個(gè)中子，質(zhì)量稍重,。大腸桿菌繁殖若干代,，其DNA中所含的氮均為¹⁵N。將這些菌移入¹⁴N的培養(yǎng)基中繁殖,，經(jīng)過一次,、二次、四次等細(xì)胞分裂,，抽取細(xì)菌試樣,，用氯化銫（CsCl）密度一梯度離心方法測(cè)定不同密度中DNA的含量。

氯化銫密度一梯度離心是一種離心新技術(shù),，可以將質(zhì)量差異微小的分子分開,。用氯化銫濃鹽液，以10⁵g以上的強(qiáng)大離心力的作用,，鹽的分子被甩到離心管的底部,。同時(shí)，擴(kuò)散作用使溶液中Cs^＋和Cl^－離子呈分散狀態(tài),，與離心力的方向相反,，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的離心，溶液達(dá)到一種平衡狀態(tài),。反向擴(kuò)散力與沉降力之間的平衡作用,，產(chǎn)生了一個(gè)連續(xù)的CsCl濃度梯度。離心管底部溶液的密度最大,，上部最小,。DNA分子溶于CsCl溶液中，經(jīng)過離心,，將逐漸集中在一條狹窄的帶上,。帶上的DNA分子密度與該處CsCl相等。

如果取在含有¹⁵N的培養(yǎng)基中培養(yǎng)的大腸桿菌在CsCl溶液中離心,，在離心管中形成的帶,，位置較低，稱為重帶；如果取在含有¹⁴N的培養(yǎng)基中培養(yǎng)的大腸桿菌在 CsCl溶液中離心,，在離心管中形成的帶,，位置較高，稱為輕帶,；如果將含有¹⁵N的大腸桿菌在¹⁴N的培養(yǎng)基中培養(yǎng)一代,，取樣離心，在離心管中形成的帶,，正好在重帶和輕帶的中間,。如果DNA復(fù)制是半保留的，這恰是實(shí)驗(yàn)所預(yù)期的,，因?yàn)楹?/span>¹⁵N的大腸桿菌在¹⁴N的培養(yǎng)基中繁殖一代,，這樣，大腸桿菌的DNA中一條鍵是含有¹⁵N的重鏈,，另一條是含有¹⁴N的輕鏈,。

如果將¹⁵N／¹⁴N的 DNA雜合分子緩慢加熱（熱變性），使其雙鏈分開,，再放在CsCl溶液中離心,。結(jié)果發(fā)現(xiàn)離心管中出現(xiàn)高低兩條帶，一條重帶,、一條輕帶,。這更證實(shí)，DNA復(fù)制是半保留復(fù)制,。

2．DNA半保留復(fù)制過程

作為主要遺傳物質(zhì)的DNA,，必須具有自我復(fù)制的能力，產(chǎn)生與它完全相同的新DNA分子,，這樣才能使遺傳信息準(zhǔn)確無誤地傳遞給下一代,，保證遺傳上的連續(xù)性和相對(duì)穩(wěn)定性。沃森等根據(jù)DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型,，認(rèn)為DNA分子是以半保留方式進(jìn)行自我復(fù)制的,。他們認(rèn)為，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中每一個(gè)半分子鏈與另一個(gè)半分子鏈的堿基互補(bǔ),，實(shí)際上是構(gòu)成了一副模板,，當(dāng)DNA復(fù)制時(shí)，在解旋酶的作用下,，首先是從它的一端沿著氫鍵逐漸斷裂,，使雙螺旋解開，形成復(fù)制分叉,，使兩條單鏈各自露出堿基,，而另一端仍保持雙鏈狀態(tài)（見下圖）,。互補(bǔ)的游離脫氧核苷酸,，即一個(gè)腺嘌呤（A）吸引一個(gè)含有胸腺嘧啶（T）的脫氧核苷酸（或T吸引A）,，一個(gè)胞嘧啶（C）吸引一個(gè)含有鳥嘌呤（G）的脫氧核苷酸（或G吸引C），如此等等,。隨即進(jìn)行氫鍵的結(jié)合,，在復(fù)雜的酶系統(tǒng)（如聚合酶Ⅰ、Ⅱ,、Ⅲ和連接酶等）的作用下,，各自形成一條新的完整的互補(bǔ)鏈，與原來的模板單鏈相互盤旋在一起,，恢復(fù)了DNA雙鏈結(jié)構(gòu)。這樣,，隨著DNA分子雙螺旋的完全拆開,，就逐漸形成了兩個(gè)新的DNA分子，與原來的完全一樣（見下圖）,。從模式圖可見,，通過復(fù)制所形成的兩個(gè)新DNA分子，都保留有原來親本DNA雙鏈分子的一條單鏈,，所以DNA這種自我復(fù)制方式稱為半保留復(fù)制,。

對(duì)DNA復(fù)制的進(jìn)一步研究，相繼發(fā)現(xiàn)了復(fù)制過程中的一些細(xì)節(jié)：

（1）發(fā)現(xiàn)DNA聚合酶只能從5’到3’的方向把相鄰的核苷酸連在一起,，因而有人提出,，DNA在復(fù)制過程中，一條從5’到3’方向的互補(bǔ)新鏈?zhǔn)前凑瘴稚鹊募僬f連續(xù)合成的,，但另一條從3’到5’方向的互補(bǔ)新鏈,，則先按5’到3’方向一段一段地合成DNA單鏈小片段，即“岡崎片段”（1000～2000個(gè)核苷酸長(zhǎng)）,，這些不連續(xù)的小片段再由連接酶連接起來,，成為一條連續(xù)的單鏈；可見,，這條由3’到5’方向的互補(bǔ)新鏈?zhǔn)堑雇酥铣傻摹?/span>

 （2）岡崎等（1968）進(jìn)一步證明,，從5’到3’方向的互補(bǔ)新鏈，也是通過岡崎片段一段一段連接而成的（如下圖所示）,。（這種講法有問題,，）

岡崎等關(guān)于DNA復(fù)制的假說

（3）岡崎等（1973）又發(fā)現(xiàn)在合成DNA單鏈片段以前，先由一種特殊類型的酶以DNA為模板,，合成一小段約含幾十個(gè)核苷酸的RNA,，然后DNA聚合酶才開始起作用，連接著RNA3’端并按5’到3’的方向合成DNA單鏈片段。這段RNA實(shí)際上起到了“引物”的作用,，所以稱為引物RNA,，隨后由DNA聚合酶Ⅰ除去引物RNA，并在原位上補(bǔ)上DNA單鏈片段（見下圖）,。

DNA復(fù)制過程中的RNA引物

～～表示RNA,；——表示DNA

DNA在活體內(nèi)的半保留復(fù)制性質(zhì)已為1958年以來的大量試驗(yàn)所證實(shí)。

3．RNA的復(fù)制

大多數(shù)RNA病毒是單鏈的,。這種RNA的復(fù)制一般是先以自己為模板合成一條與其堿基互補(bǔ)配對(duì)的單鏈,，通常稱這條起模板作用的RNA分子鏈為“＋”鏈，而將新復(fù)制的RNA分子鏈稱為“－”鏈,，這樣就形成了雙螺旋的復(fù)制類型,。然后這條“－”鏈又從“＋”鏈模板中釋放出來，它也以自己為模板復(fù)制出一條與自己互補(bǔ)的“＋”鏈,，于是形成了一條新生的病毒RNA（如下圖所示）,。

單鏈?zhǔn)删wRNA復(fù)制示意圖

A．以單鏈RNA＋鏈為模板進(jìn)行復(fù)制  B．形成復(fù)制類型

C．以一鏈為模板形成幾個(gè)新的＋鏈

（2）基因的表達(dá)  包括轉(zhuǎn)錄和翻譯兩個(gè)過程，在原核生物中這兩個(gè)過程同時(shí)進(jìn)行,，在真核生物中是在不同時(shí)間,、不同地點(diǎn)進(jìn)行的。

1．轉(zhuǎn)錄

　　轉(zhuǎn)錄是指以DNA為模板合成RNA的過程,。轉(zhuǎn)錄是遺傳信息表達(dá)的第一步,，通過轉(zhuǎn)錄使編碼于基因序列中的遺傳信息具有流動(dòng)性，為基因控制蛋白質(zhì)合成創(chuàng)造條件,。與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的RNA有三種：信使RNA,、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA和核糖體RNA，它們都是以DNA為模板的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物,。但是,，轉(zhuǎn)錄并不是產(chǎn)生RNA的唯一途徑。信使RNA(簡(jiǎn)稱mRNA)的轉(zhuǎn)錄要點(diǎn)如下：

(1)在細(xì)胞核內(nèi)進(jìn)行,，以雙鏈DNA分子的一條鏈為模板,。作為模板轉(zhuǎn)錄的鏈稱為非信息鏈或反義鏈；不作模板轉(zhuǎn)錄的鏈稱為信息鏈或有義鏈,。

(2)轉(zhuǎn)錄在一系列RNA聚合酶催化下進(jìn)行,，以四種核糖核苷三磷酸(以NTP表示)為原料。RNA聚合反應(yīng)可用下面的反應(yīng)式表示：

XTP為 RNA鏈?zhǔn)级说谝粋€(gè)核苷酸,；PPi表示焦磷酸,。

(3)按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則進(jìn)行轉(zhuǎn)錄時(shí)，DNA非信息鏈上的A,、G,、C,、T將分別轉(zhuǎn)錄成U、C,、G,、A，即轉(zhuǎn)錄形成的RNA單鏈與DNA模板鏈互補(bǔ),，其堿基序列與DNA的信息鏈基本一致,。因此說，轉(zhuǎn)錄成的信使RNA單鏈攜帶著DNA信息鏈上的遺傳信息,。

(4)信使RNA經(jīng)過核膜孔進(jìn)入細(xì)胞質(zhì),，并與核糖體相結(jié)合。信使RNA的這種流動(dòng)性,，使之在蛋白質(zhì)合成中能夠行使直接模板的作用,。

DNA轉(zhuǎn)錄RNA的模板機(jī)制用圖解表示(圖1-5-6)。

2．翻譯

　　翻譯是指以信使RNA為模板,，合成有一定氨基酸序列的蛋白質(zhì)肽鏈的過程,。翻譯過程比較復(fù)雜，概括說來,，合成蛋白質(zhì)肽鏈的過程是信使RNA、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA和核糖體三者協(xié)同作用的過程,。信使RNA是翻譯過程的直接模板,，因?yàn)?/span>mRNA以三聯(lián)體密碼形式攜帶著DNA上的遺傳信息，每個(gè)三聯(lián)體密碼子決定多鈦鏈中的一個(gè)氨基酸,，mRNA上氨基酸密碼的序列則決定多肽鏈的氨基酸序列,。核糖體是合成蛋白質(zhì)的場(chǎng)所。核糖體有一個(gè)mRNA的結(jié)合部位,，并能從mRNA起始密碼開始,，逐一解讀每個(gè)三聯(lián)體密碼的遺傳信息；核糖體上還有與攜帶氨基酸的轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(tRNA)相結(jié)合的部位,，能夠選擇合適的tRNA攜帶特定氨基酸進(jìn)位,；此外，核糖體提供翻譯過程所需的全部酶活性,，并參與肽鏈的延伸與釋放,。tRNA是工具，它的一端能夠攜帶某種氨基酸,，另一端由三個(gè)暴露堿基組成反密碼子,，能夠通過堿基互補(bǔ)配對(duì)與mRNA上的密碼子相識(shí)別，并通過進(jìn)位把氨基酸放置在核糖體的合適位置上,，從而把氨基酸連接起來,。上述協(xié)同作用可以用圖1-5-7表示,。

　　遺傳密碼是指核酸分子中決定蛋白質(zhì)中氨基酸序列的核苷酸序列，由三個(gè)連續(xù)的核苷酸組成的密碼子構(gòu)成,。由于mRNA是合成蛋白質(zhì)的直接模板,，所以，遺傳密碼通常是指信使RNA單鏈的核苷酸序列,?？傊z傳密碼是負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)氨基酸組成的遺傳信息的編碼形式,。遺傳密碼有下列基本特征：

(1)三聯(lián)體每個(gè)密碼子由mRNA上三個(gè)相鄰的堿基序列組成,。

(2)不重疊性從mRNA起點(diǎn)始，每個(gè)核苷酸只能作為一個(gè)三聯(lián)體密碼子的成員之一,，不能又作為相鄰密碼子的成員,。

(3)簡(jiǎn)并性 mRNA上四種核苷酸能構(gòu)成 4³＝64種密碼子。其中,，有三種為多肽合成的終止密碼,，其余的61種密碼子為氨基酸密碼，除甲硫氨酸和色氨酸外,，一個(gè)氨基酸可由兩種或兩種以上的密碼子決定,，不同密碼的同義性稱為簡(jiǎn)并性。

(4)無逗號(hào)密碼子與密碼子之間沒有任何不編碼的核苷酸單獨(dú)存在,。

(三)中心法則——遺傳信息轉(zhuǎn)移的規(guī)律

　　遺傳信息在細(xì)胞內(nèi)生物大分子間轉(zhuǎn)移的基本法則,。中心法則是克里克于1957年提出的，1970年他又重申了中心法則的重要性,，并提出表達(dá)中心法則的完整圖解,，如圖1-5-8所示。

　　從圖解看出,，遺傳信息的轉(zhuǎn)移分為兩類：一類用實(shí)線箭頭表示,，包括DNA復(fù)制、RNA轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)的翻譯,，這三種信息轉(zhuǎn)移方向普遍存在于所有生物體內(nèi),；一類用虛線箭頭表示，包括RNA復(fù)制,、RNA逆轉(zhuǎn)錄和未經(jīng)證實(shí)的從DNA直接翻譯為蛋白質(zhì),。RNA復(fù)制只存在于RNA病毒，逆轉(zhuǎn)錄最初發(fā)現(xiàn)于RNA 致癌病毒,?？傊行姆▌t的中心論點(diǎn)是遺傳信息既不能從蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移到蛋白質(zhì),，也不能從蛋白質(zhì)逆轉(zhuǎn)到DNA或RNA分子,。

　　中心法則闡明了在生命活動(dòng)中核酸與蛋白質(zhì)的分工和聯(lián)系,。核酸的功能是貯存和轉(zhuǎn)移遺傳信息，指導(dǎo)和控制蛋白質(zhì)的合成,；蛋白質(zhì)的主要功能是作為生物體的結(jié)構(gòu)成分和調(diào)節(jié)新陳代謝活動(dòng),，使遺傳信息得到表達(dá)?？傊?，中心法則是對(duì)遺傳物質(zhì)作用原理的高度概括。

四,、基因的概念和結(jié)構(gòu)

(一)基因的概念

?基因?一詞是1909年約翰遜提出的代替?遺傳因子?的詞?，F(xiàn)代遺傳學(xué)中基因概念的內(nèi)涵仍處于不斷發(fā)展和完善的過程中，大致可以概括如下：

　　從基因與性狀的關(guān)系看,，基因是控制性狀的遺傳物質(zhì)的功能單位,，也就是說，基因控制生物性狀的遺傳,。

　　從基因與DNA的關(guān)系看,，基因是有遺傳效應(yīng)的DNA分子片段，遺傳效應(yīng)是指基因具有復(fù)制,、轉(zhuǎn)錄,、翻譯、重組和突變,，以及調(diào)控等功能,。不同基因的大小不同，哺乳動(dòng)物的基因長(zhǎng)度平均約有5000～8000bp(堿基對(duì)),。

　　從基因與遺傳信息關(guān)系看，不同基因中的堿基序列不同,，每個(gè)基因都有其特定的堿基序列,。基因中的特定堿基序列代表某種性狀的表達(dá)方式,，稱為遺傳信息,。也就是說，基因是蘊(yùn)含遺傳信息的核酸分子的特定堿基序列,。

　　從基因與染色體關(guān)系看,，染色體是核基因的載體，每個(gè)核基因在染色體上都有一定的座位,，許多基因在染色體上呈線性排列,。相鄰基因之間存在著重疊現(xiàn)象或間斷現(xiàn)象，某些基因可以由一條染色體跳躍到另一條染色體上,。

從基因的結(jié)構(gòu)看,，絕大多數(shù)真核生物基因都是不連續(xù)基因,，由外元和內(nèi)元兩部分組成。如果一個(gè)基因有多個(gè)外元和內(nèi)元,，外元?jiǎng)t被內(nèi)元一一隔開,。

在原核生物中，DNA分子中約1000個(gè)堿基對(duì)相當(dāng)于一個(gè)基因,，這些基因連續(xù)編碼,。真核生物中的情況復(fù)雜的多。如哺乳動(dòng)物的基因長(zhǎng)度平均約為5000～8000個(gè)堿基對(duì),，然而,，高等真核生物的結(jié)構(gòu)基因多為斷裂基因。一個(gè)斷裂基因含有幾個(gè)編碼順序,，叫外顯子,，被一個(gè)個(gè)不編碼的間隔順序隔開，這些間隔順序叫內(nèi)含子,。不同的結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度不同,，每一個(gè)斷裂基因在其第一個(gè)和第末個(gè)外顯子的外側(cè)，都有一非編碼區(qū),，并連接著一些調(diào)控順序,。

　　從種類上看，根據(jù)其原初功能將基因分為三種：

(1)編碼蛋白質(zhì)的基因,，包括結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因,，這種基因既能轉(zhuǎn)錄又能翻譯；

(2)沒有翻譯產(chǎn)物的基因,，如核糖體DNA基因和轉(zhuǎn)運(yùn)DNA基因,；

(3)不能轉(zhuǎn)錄的DNA片段，如操縱基因等,。

總之,，基因是蘊(yùn)含遺傳信息的特定的脫氧核苷酸序列，是有遺傳效應(yīng)的DNA分子片段,。